termografia IR

CUPRINSIntroducere..21. Principiul examinrii prin termografie n infrarou ..4 1.1 Locul termografiei n infrarou n cadrul metodelor termice de examinare. Principiul termografiei n IR .4 1.2 Particulariti i avantaje ...............62. Bazele teoretice ale transferului de cldur ..........6 2.1 Transferul termic prin conducie ............................7 2.2 Transferul termic prin convecie ...11 2.3 Radiaia termic. Transferul radiativ..12 2.3.1 Spectrul undelor electromagnetice ....13 2.3.2 Coeficienii de absorbie, reflexie i transmisie 15 2.3.3 Corpuri negre. Legile Planck, Wien, Stefan-Boltzmann................173. Sisteme de detecie n infrarou ........20 3.1 Sistemul optic ..21 3.2 Filtre de radiaie IR ...23 3.3 Detectoare de radiaii IR ...274. Caracterizarea sistemelor termografice ..29 4.1 Rspunsul spectral ...29 4.2 Rezoluia termic 29 4.3 Rezoluia spatial ..31 4.4 Rezoluia temporal .32 4.5 Alte mrimi caracteristice ...32 4.6 Determinarea temperaturii de fond i a emisivitii 345. Interaciunea cu mediul nconjurtor ..39 5.1 Detecia de la distan ....39 5.2 Efectele interaciunii radiaiei cu atmosfera ..40 5.2.1 Absorbia 40 5.2.2 Difuzia 43 5.2.3 Radiaia parazit i turbulent 51 5.2.4 Msurarea efectelor interaciunii .........526. Aplicaii ale termografiei ..53

7. Aplicaii n aeronautic ...................57 7.1 Pregtirea experimentului ..61 7.2 Prelucrarea datelor .63 Concluzii........................67 Bibliografie68 IntroducereSpectrul electromagnetic este mprit arbitrar n mai multe regiuni de lungimi de und, numite benzi, distinse ntre ele de ctre metodele folosite pentru a produce i detecta radiaia. Nu exist nici o diferen fundamental ntre radiaiile din diferite benzi ale spectrului electromagnetic. Toate sunt guvernate de aceleai legi, iar singurele diferene sunt cele datorate variaiei lungimii de und. Fig. 1 Spectrul electromagneticnc de la descoperirea razelor infraroii (n anul 1800 de ctre Sir Frederick William Herschel, Germania, n timp ce msur temperatura fiecrei culori a spectrului produs la trecerea luminii solare printr-o prism), a faptului c exist mai mult n spectrul electromagnetic dect se poate vedea cu ochiul liber, oamenii de tiin au manifestat un real interes pentru acestea. Toate obiectele care au o temperatur peste zero absolut (- 273.15 grade Celsius sau 0 Kelvin) emit radiaie n regiunea de infrarou a spectrului. Chiar i obiectele pe care le considerm foarte reci, cum ar fi cuburile de ghea, emit radiaie termic. Cldura pe care o simim de la soare, un foc sau un radiator sunt radiaie infraroie. Dei ochii notrii nu o pot vedea, terminaiile nervoase din piele o percep sub form de cldur. Cu ct este mai cald un obiect cu att emite mai mult radiaie termic.

Radiaia infraroie i gsete o important aplicaie n domeniul termografiei n infrarou. Termografia este tiina care se ocup cu achiziia i analiza informaiilor de natur termic obinute cu ajutorul echipamentelor de scanare n infrarou, fr contact.

Tiparul cldurii este foarte dificil de intuit. Asta nseamn c nu este ntotdeauna posibil s se cunoasc unde trebuie ataate termocuplurile necesare pentru a face msurtori corecte i o evaluare eficient a disiprii cldurii. n plus, deoarece termocuplul trebuie s fie n contact cu materialul testat, acesta poate influena rezultatul msurtorii.Termografia n infrarou are avantajul c produce imagini foarte cuprinztoare, fr contact. Temperaturile nalte nemsurabile prin metodele de contact pot fi msurate, deoarece obiectul de interes este observat de la distan. Un alt avantaj este c se poate obine un timp de rspuns scurt (s), deoarece dispozitivul de msur nu trebuie s ajung la echilibru termic cu obiectul de msurat.

Aplicaiile tiinifice pentru termografia n infrarou sunt numeroase i pot fi gsite ntr-o mare varietate de domenii (medical, industrial, militar, meteorologie, cercetare, etc). Aproape toate echipamentele electro-mecanice se nclzesc excesiv nainte de a ceda, fcnd din camerele IR unelte de diagnosticare extrem de eficiente n mediul industrial i nu numai. n multe cazuri timpul pn la avarie poate fi calculat, permind programarea n cel mai convenabil mod a reparaiilor proactive sau preventive. Aceast practic, numit ntreinere preventiv (apredictive maintenance a PdM), sporete att productivitatea ct i sigurana. Camerele IR joac un rol important n programele PdM n fabrici, transmiterea energiei electrice i sisteme de distribuie, combinate chimice, mori de hrtie, i n multe alte operaii din industrie. Camerele IR sunt de asemenea ideale pentru monitorizarea obiectelor i arterelor care prezint profiluri termice bune de diagnosticat, cum ar fi transmiterea energiei electrice i sisteme de distribuie, materiale n conducte i recipiente de siguran, materiale i echipamente asociate n timpul procesului de producie, i bree de siguran. Alte echipamente de inspecie recomandate includ simurile umane, analiza vibraiilor, analiz de ulei (tribologie), i analiza cu ultrasunete.

Totui, inspeciile cu infraroii sunt precise, raionale, interpretabile intuitiv, nedistructive, neinvazive, fr contact i rapide. Ele furnizeaz instantaneu imagini i date care pot fi folosite imediat n rapoarte, i pot fi uor arhivate pentru a menine un studiu de performan bine orientat, care n schimb poate fi folosit pentru a estima timpul de via, pentru planificarea optim a ntreinerii, i prevenirea accidentelor grave.

1. Principiul examinrii prin termografie n infrarou1.1 Locul termografiei n infrarou n cadrul metodelor termice de

examinare. Principiul termografiei n IRn ansamblul metodelor de examinare nedistructiva, n ultimii ani, au nceput s se extind tot mai mult metodele bazate pe studiul distribuiei unui flux termic n materialul sau produsul examinat, pe scurt, metodele termice. Dintre toate metodele termice de examinare nedistructiva, n prezent, cea mai rspndit este termografia n infrarou.

Dup scopul lor, metodele termice de examinare nedistructiv pot fi grupate n trei categorii:

- metode de msurare a temperaturii sau a fluxului termic radiant ( termometrie, pirometrie, etc.);

- metode de vizualizare a distribuiei temperaturii la suprafaa unui corp (termoviziune, termografie cu cristale lichide, etc.);

- metode de vizualizare i msurare ( termografia n infrarou).

Termografia n infrarou const, n principiu, n detectarea de la distan a radiaiei emise de un produs supus examinrii i transformarea informaiilor obinute ntr-o imagine vizibil pe care se pot pune n evidena anumite caracteristici ale acestuia.

Transformarea semnalului termic mai nti ntr-un semnal electric, uor nregistrat, se face cu un dispozitiv de conversie. Imaginile se obin cu ajutorul microscoapelor n infrarou pentru observarea obiectelor foarte mici sau cu ajutorul camerelor de luat vederi n infrarou pentru obiectele mai mari.

Camera transform radiaia infraroie, invizibil pentru ochi, n imagine vizibil. Energia infraroie (A) care vine de la un obiect este focalizat de sistemul optic (B) ntr-un detector de infrarou (C). Detectorul trimite informaia la senzorii electronici (D) pentru procesarea imaginii. Senzorii transform datele care vin de la detector ntr-o imagine (E) care poate fi vzut n vizor sau pe un monitor video standard sau ecran LCD. Camera n infrarou este un instrument compact i uor de folosit. Este bazat pe tehnologie avansat, att ca hardware ct i ca software.

Sistemul optic al unei camere IR este proiectat ntr-un mod asemntor ca la o camer normal. Totui, tipurile de sticl folosite la o camer normal nu pot fi folosite la sistemul optic al camerei IR, deoarece sticla nu transmite radiaia infraroie suficient de bine. n cele mai multe cazuri, lentila este confecionat din Germaniu. Acest material costisitor are proprieti mecanice excelente. Alte dispozitive folosite n sistemul optic sunt: oglinzi, lentile sferice i asferice, suprafee reflectante.

Detectorul de infrarou, care absoarbe radiaia infraroie i o transform ntr-un semnal electric, este componenta fundamental a tuturor sistemelor de termografie IR. Camerele de ultima or folosesc ca detectoare, microbolometre nercite ajunse la a patra generaie. Camerele cu o sensibilitate termic foarte ridicat, dedicate domeniului de cercetare i dezvoltare, au detectoare de tipul QWIP (Quantum Well Infrared Photon / Flir Systems). Manipularea acestor detectoare ultrasensibile, este fcut n camere cu atmosfer controlat. Att detectoarele ct i sistemele optice sunt asamblate n aceste camere.

Dup asamblare camera este calibrat i supus unui numr de teste riguroase. Calibrarea camerei asigur c fiecare pixel (element de imagine) este capabil s msoare temperatura corect. Camera este aezat n fa unui corp negru cu temperatur de referin i se verific ca fiecare pixel s msoare exact aceeai temperatur. Fiecare camer este expus la condiii nefavorabile de mediu n ncperi climatizate special proiectate. Aceasta asigur funcionarea camerelor n parametrii normali chiar i n condiii dure de mediu. Partea de software este bazat pe sistemul Windows i permite o analiz i evaluare rapid, detaliat i precis a inspeciilor n IR. De asemenea exist softuri incorporate n camere pentru o analiz n timp real i n condiii de analiz dintre cele mai solicitante. 1.2. Particulariti i avantajeTermografia n infrarou ca metod de examinare nedistructiv, prezint o serie de limite (cost ridicat al echipamentelor, personal calificat, dificultatea de analiz a suprafeelor lucioase, a materialelor cu conductivitate termic foarte mare sau foarte mic, etc.) dar mai cu seam prezint o serie de avantaje care o claseaz pe locul nti n lume ca metod termic nedistructiv de msurare i vizualizare. Principalele avantaje sunt:

bidimensionalitatea; posibilitatea de a examina suprafee mari i foarte mari

n scurt timp;

metoda neinvaziva, nu afecteaz inta;

posibilitatea de a analiza o gam larg de materiale metalice i nemetalice;

analiza de la distan a probei acolo unde apropierea nu este posibila;

timp scurt de examinare ( timp real);

posibilitatea de a examina produse cu accesibilitate pe una sau dou fee;

permite captarea amprentelor termice cu dinamic mare (produse aflate n micare);

posibilitatea de examinare n timpul procesului tehnologic;

examinarea produselor ncapsulate sau greu accesibile;

2. Bazele teoretice ale transferului de cldurTransferul de cldur reprezint un ansamblu de procese spontane ireversibile care au ca efect schimbul de energie termic ntre dou sisteme sau dou zone ale aceluiai corp aflate la temperaturi diferite. Procesele de transfer termic respect principiile termodinamicii clasice. Transferul de cldur are loc n trei moduri distincte: prin conducie, convecie i radiaie. Fora motrice a producerii fenomenului de conducie este diferena de temperatur dintre dou medii sau regiuni; radiaia se bazeaz pe proprietatea oricrui corp de a emite unde electromagnetice, iar convecia este un proces mai complex care implic pe lng transferul de energie i un transfer de impuls i mas. De asemenea, convecia implic totdeauna i un proces de conducie. n natur, aceste trei moduri de transfer al cldurii, de regul, coexista cte dou sau chiar toate trei. Din aceste trei moduri, termografia prin infrarou este cel mai des asociat cu transferul radiant de cldur, dar este esenial nelegerea celor trei moduri pentru a putea aprecia importana imaginilor IR.

2.1 Transferul termic prin conducieCldura, temperatura i conducia

Cldura form de micare a materiei, care const n agitaia termic a atomilor fluidelor sau n vibraia dezordonat a atomilor unui solid i care produce ridicarea temperaturii; se exprim printr-o mrime scalara de aceeai natur cu energia mecanic, cu energia electromagnetic, etc., numit cantitate de cldur, energie termic sau energie caloric; transfer de cldur - form de transfer energetic ntre dou sisteme fr variaia parametrilor externi. Cantitatea de cldur dintr-un corp este egal cu suma tuturor energiilor cinetice ale moleculelor i atomilor ce l compun. Cldura este rezultatul conversiei altor forme de energie: combustibil prin ardere, micare i frecare, etc.

Fig. 2 Trei moduri de transfer al cldurii Temperatura (unui corp) o mrime caracteristic a nivelului energetic al acelui corp. Nivelul energetic este dat de agitaia atomic i molecular a corpului (este o msur a vitezei medii de micare a moleculelor i atomilor ce compun o substan).

Conducia termic proces de transfer al cldurii dintr-o regiune cu temperatur mai ridicat ctre o regiune cu temperatur mai coborat n interiorul unui mediu sau ntre dou medii diferite aflate n contact fizic direct, sub influena unei diferene de temperatur, fr o deplasare aparent a particulelor care alctuiesc mediile respective. Conducia este singurul mecanism de transfer de cldur prin corpurile solide opace. Temperatura poate fi definit prin intermediul unei varieti de scri de temperatur, dar fundmental ea este o masur a gradului de nclzire sau rcire a unui obiect, care este definit de faptul c atunci cnd caldura poate curge liber printre dou corpuri, ea curge dinspre corpul mai cald nspre corpul mai rece. Temperatura este exprimat ori n termeni absolui ori relativi. Exist dou scri absolute numite Rankine (sistemul englez) si Kelvin (sistemul metric) i dou scri relative corespunzatoare numite Fahrenheit (sistemul englez) si Celsius sau centigrad (sistemul metric). Scara Celsius este cea mai cunoscuta, unitatea de masura fiind gradul Celsius (C). Scara de temperatur relativ este usor de utilizat n activitatea zilnic.

Minimul absolut al frigului sau zero absolut, este punctul teoretic n care micarea moleculelor (atomilor) nceteaz. Acest minim absolut nu se poate atinge n mod natural nici n spaiul extraatmosferic. Acesta se exprima prin zero Kelvin sau zero Rankine (0 K sau 0 R). Zero absolut este aproximativ egal cu -273.16 C sau -459.7 F. Zero absolut reprezint limita inferioar pentru scara de temperatura absolut. Punctul de zero relativ (punctul de nghe al apei) este diferit de zero absolut. Dependenele numerice ntre cele patru scri de temperatur sunt urmtoarele.

TCelsius = 5/9 (TFarenheit -32)

TFarenheit = 9/5 TCelsius +32 TRankine = TFarenheit +459.7 TKelvin = TCelsius +273.16

TFarenheit (sau Rankine) = 1.8 TCelsius (sau Kelvin)Principiul conservrii energiei suma energiilor unui sistem nchis este constant.

Energia total primit de un sistem este egal cu suma dintre energia absorbit si cea cedat de sistem sub diferite forme: Eprimit = Eabsorbit + EcedatSensul transferului termic transferul termic are loc n mod spontan de la cald la rece, transfernd energia (cldur n acest caz) de la un corp la altul. Dac exist o diferen de temperatur, atunci sigur va exista i un transfer termic. Transferul conductiv de cldur este transferul de cldur n medii staionare. Este unicul mod de curgere a cldurii n solide, dar de asemenea poate avea loc i n lichide i gaze. Apare ca rezultat al vibraiilor atomice (n solide) i ciocnirilor moleculare (n lichide) energia fiind mutat din locaiile de temperatur nalt nspre cele cu temperatur sczut. Este un transfer al enegiei cinetice ntre molecule/atomi.

Rata de transfer termic prin conducie - rata transferului termic n regim staionar este direct proporional cu conductivitatea termic a obiectului, aria seciunii transversale prin care are loc transferul termic (curgerea de cldur) i diferena de temperatur dintre cele dou capete ale obiectului; ea este invers proporional cu lungimea obiectului pe direcia de curgere a cldurii (lungimea cii conductive termice). Pentru ca transferul termic s continue cu aceeai rat, energia trebuie s fie adugat n mod continuu. n caz contrar, diferena de temperatur va ncepe s scad.

Legea de conducie a lui Fourier:

exprim curgerea conductiv de caldur Q pe unitatea de arie A printr-o seciune de material solid de grosime L cu conductivitatea termic k avand o scdere de temperatur de T=T1-T2 de-a lungul su, cum este artat in figura 2. Esenial, aceast expresie nseamn c rata curgerii de cldur crete cu creterea diferenei de temperatur, crete cu creterea conductivitii termice i descrete cu creterea grosimii seciunii. Conductivitatea termic este, n general, mai mare pentru metale i mai mic pentru nemetale i materiale poroase (de exemplu, crmid).

Exist dou tipuri de situaii n transferul termic:

- regimul staionar este stabil, fr modificri; puterea de nclzire i cea de rcire sunt egale; diferena de temperatur este constant n timp; n realitate, regimul staionar este un caz rar;

- regimul tranzitoriu este cel n care diferena de temperatur se modific n timp.

Capacitatea termic (caloric) reprezint capacitatea de a stoca energia termic.

Ineria termic - obiectele cu capacitate termic mare reacioneaz lent la schimbrile de temperatur. Din acest motiv, pentru materialele cu capacitate termic ridicat este necesar mai mult energie pentru a le modifica temperatura cu un grad.

Valori uzuale ale capacitii calorice (C) i conductivitii termice (k) pentru cteva materiale:

Material

k [W/mK]

C [kJ/kgK]

Cu

401

0.39

Al

237

0.90

Oel

52

0.46

Ghea pur2.04

2

Crmid1

0.75

Sticl (fereastra)

0.9

0.84

Ap0.6

4.18

Lemn

0.14

1.80 2.80

Fibr de sticla (lana minerala)

0.04

Aer (in repaus)

0.025

1.0

Ar

0.018

Xe

0.0051

2.2 Transferul termic prin convecie

Convecia termic este o form combinat de transfer de cldur i de mas. Procesul de transfer al cldurii se realizeaz prin aciunea combinat a conduciei termice, a acumulrii de energie intern i a micrii de deplasare a unui fluid aflat n vecintatea zonei de transfer considerate. Convecia este fenomenul de transfer termic prin care fluidul este pus n micare de o for gravitaional sau de alt natur, asigurndu-se astfel transferul de energie. Curgerea convectiv de cldur are loc ntr-un mediu aflat n micare i este aproape ntotdeauna asociat cu transferul dintre un solid i un fluid aflat n micare (ca aerul).

Convecia liber (natural) are loc cnd diferenele de temperatur necesare transferului de cldur produc schimbri de densitate n fluid i fluidul mai cald se ridic ca rezultat al creterii flotabilitii. Convecia forat are loc cnd o for motoare extern, ca un ventilator, mic fluidul.

Figura 2 (centru) demonstreaz transferul forat convectiv de cldur ntre o tabl nclzit i un fluid aflat n micare. n curgerea convectiv de cldur, transferul de cldur apare prin intermediul a dou mecanisme: conducia direct prin fluid i micarea proprie fluidului. Legea de rcire a lui Newton definete coeficientul transferului convectiv de cldur, h, care exprim efectul combinat al acestor dou mecanisme:

unde Q este cldura transferat, A este suprafaa prin care are loc transferul, TS este temperatura suprafeei iar T este temperatura fluidului liber n afara stratului de separaie. Prezena tablei influeneaz viteza fluidului de-a lungul unei distane variabile numit strat de separaie; viteza este viteza fluidului liber Vf la stratul de separaie si scade la zero la suprafaa tablei. Grosimea stratului de separaie depinde invers proporional de viteza fluidului liber, si este mai mare pentru convecia liber si mai mic pentru convecia forat. Debitul de caldur depinde de grosimea stratului de separaie de convecie si de diferena de temperatur T dintre TS si T. Legea de rcire a lui Newton poate fi rearanjat pentru a da transferul convectiv de caldur pe unitatea de arie. In esen, aceast expresie arat c debitul de caldur crete cu creterea diferenei de temperatur i cu creterea coeficientului transferului de cldur al fluidului.

Schimbul de energie prin evaporare i condensare se face de la sine. Evaporarea rceste suprafaa i condensarea nclzete suprafaa.

2.3 Radiaia termic. Transferul radiativRadiaia termic este procesul prin care energia termic este transferat de la un corp cu temperatur mai ridicat la un corp cu temperatur mai cobort, corpurile fiind separate n spaiu, transfer care se face sub form de cuante de energie. Acest al treilea tip de transfer devine mai important dect celelalte dou cu creterea temperaturii corpului. Transferul radiativ de cldur este diferit de celelalte dou moduri n cteva privine: Se poate propaga i prin vid

Apare prin emisie i absorbie electromagnetic Apare cu viteza luminii i se comport ntr-un mod asemantor cu aceasta

n timp ce cldura conductiv sau convectiv transferat ntre puncte este liniar proporional cu diferena de temperatur dintre ele, energia radiat de o suprafaa este proporional cu puterea a patra a temperaturii sale absolute, i energia termic radiant transferat ntre dou suprafee este proporional cu puterea a treia a diferenei de temperatur dintre suprafee.

Radiaia termic infraroie prsind suprafaa se cheam exitana radiant sau radiozitate. Poate fi emis de la suprafaa, reflectat de suprafaa, sau transmis prin suprafaa, cum este ilustrat n figura 2. Exitana total este egal cu suma dintre componenta emis (We), componenta reflectat (Wr), i componenta transmis (Wt).

Temperatura suprafeei, msurat n termografie, este legat doar de componenta emis (We).

Transferul radiativ de cldur care intereseaz termografia IR are loc n poriunea de infrarou a spectrului, ntre 0.75 m i aproximativ 1000 m, dei majoritatea msurtorilor practice sunt restricionate la lungimi de und mai mici de aproximativ 20 m. Toate suprafeele int mai calde de zero absolut radiaz energie n spectrul infrarou. intele fierbini radiaz i n vizibil. Elementul de nclzire al unui cuptor electric la 800 K radiaz un rou viiniu, de exemplu. Pe msur ce se rcete, i pierde din strlucirea vizibil dar continu s radieze n nfrarou.

2.3.1 Spectrul undelor electromagneticeTotalitatea undelor electromagnetice constituie spectrul undelor electromagnetice, cu lungimile de und cuprinse intre 110-13 m si 3108 m. Acest spectru poate fi mprit n mod convenional n regiuni determinate care parial se suprapun.

Razele infraroii, invizibile pentru ochi, ocup o regiune spectral ce se ntinde aproximativ de la 0.76 la 400 420 m. Acest domeniu se situeaz ntre razele roii ale domeniului vizibil al spectrului i undele radio ultrascurte. Domeniul razelor infraroii poate fi mprit n mod convenional n trei regiuni spectrale: infraroul apropiat (0.76 15 m), mijlociu (15 100 m) i ndeprtat (100 420 m). Razele infraroii au aceleai proprieti ca i razele vizibile i cele ultraviolete, adic se propag rectiliniu, se refract ,se reflect, se absorb i se polarizeaz. Razele infraroii sunt emise de electronii periferici ai atomilor i moleculelor ca urmare a micrilor de rotaie i de vibraie ale moleculelor. Aceste raze se numesc uneori raze termice, deoarece emisia lor este determinat de temperatura corpului emitor.Domeniile spectruluiLungimea de und

Domeniul oscilaiilor de joas frecvenpeste20000 m

Domeniul

undelor

radiolungi

medii

scurte

ultrascurte

microunde20000-2000m

2000-200 m

200-10 m

10-0.5 m

sub 0.5 m

Domeniul

razelor

infraroiindepartat

mijlociu

apropiat420-100 m

100-15 m

15-0.76 m

Domeniul

razelor

vizibilerou

portocaliu

galben

verde

albastru

indigo

violet7600-7200

6200-5900

5900-5600

5600-5000

5000-4800

4800-4500

4500-4000

Domeniul razelor

ultraviolete4000-50

Domeniul razelor X50-0.04

Domeniul razelor gammasub 4 pm

Metodele de obinere i de detectare a razelor infraroii sunt diferite pentru diferite regiuni spectrale. Razele din infraroul apropiat sunt studiate i folosite cel mai mult n tehnic. n funcie de tipul receptoarelor utilizate, aceste raze pot fi de asemenea ncadrate n nite subdomenii distincte.

Razele infraroii cu lungimi de und cuprinse ntre 0.76 si 1.3 1.5 m se detecteaz cu ajutorul celulelor fotoelectrice cu efect fotoelectric extern, cu ajutorul plcilor fotografice speciale (sensibilizate pentru raze infraroii) i prin metoda extinciei ecranelor fosforescente. Pentru nregistrarea radiaiilor infraroii din acest domeniu se folosesc de asemenea toate tipurile de receptoare termoelectrice, i celulele fotoelectrice cu efect fotoelectric intern i cu efect fotoelectric n stratul de baraj. Drept surs de raze infraroii pentru acest domeniu spectral servesc lmpile electrice cu incandescen, diferite tuburi cu descrcri n gaze i toate corpurile nclzite la o temperatur mai mare de 280 K. Pentru a detecta radiaiile cu lungimi de und cuprinse ntre 1.3 si 7 m se folosesc celulele electrice cu efect fotoelectric intern, precum i toate receptoarele termoelectrice.

Drept surse se folosesc lmpile electrice cu incandescen, lmpile cu vapori de mercur la presiune nalt i ultranalt, izvoare speciale sub forma unor bastonae incandescente (lmpi Nernst) i toate corpurile nclzite la o temperatur mai mare de 70 K.

Lungimea de und limit de 15 m pentru domeniul spectral cuprins ntre 7 i 15 m este determinat de absorbia razelor infraroii n atmosfer- vaporii de ap, care exist ntotdeauna n atmosfer, absorb aproape complet razele infraroii cu lungimi de und mai mari de 14 15 m. Drept surse de raze infraroii pentru intervalul spectral 7-15 m se utilizeaz toate corpurile ncalzite la o temperatur mai mare de 45 K, precum i lmpi Nernst. Razele infraroii din domeniul infraroului ndepartat sunt mai puin studiate. Ca surse de astfel de raze servesc toate corpurile cu o temperatur mai mare dect 0 absolut; dar energia radiat de ele este foarte mic, ncat ea nu poate fi aproape deloc detectat nici de receptoarele electrice sensibile. 2.3.2 Coeficienii de absorbie, reflexie i transmisie

Dac un flux de energie radiant P cade pe suprafaa unui corp S, o parte din flux, P, este reflectat (regulat sau difuz), o alt parte, P, trece prin corp i n funcie de indicele lui de refracie i schimb direcia, iar o a treia parte, P, este absorbit de corp.

Fluxul total P este egal cu suma acestor fluxuri:

P = P + P + P

mparind ambii membrii ai ecuaiei cu P, obinem:

Notm raporturile:

Raportul dintre fluxul reflectat i fluxul incident se numete factor global de reflexie .

Raportul dintre fluxul transmis de corp si fluxul incident se numete factor global de

transmisie .

Raportul dintre fluxul absorbit de corp i fluxul incident se numete factor global de

absorbie .

Rezulta ca intre , si exista relatia:

+ + = 1Pentru corpurile negre = 0.n funcie de starea suprafeei, reflexia fluxului incident poate fi regulat (unghiul de inciden este egal cu unghiul de reflexie) sau difuz. Reflexia regulat este dat de suprafee lustruite, factorul de reflexie, , depinznd de gradul de lustruire al suprafeei.

Factorii de transmisie i de absorbie depind n mod complex de compoziia chimic si de structura substanei. Pentru corpurile lichide i gazoase aceti factori depind i de dimensiunile i de numrul particulelor individuale, de exemplu al moleculelor, al particulelor de cea sau de praf, prezente n volumul prin care se propag fluxul de energie radiant. 2.3.3 Corpuri negre. Legile Planck, Wien, Stefan-BoltzmannUn corp negru este definit ca un obiect care absoarbe toate radiaiile care cad pe el, la orice lungime de und. Aparenta interpretare greit negru legat de un obiect care emite radiaie este explicat de legea lui Kirchoff (Gustav Robert Kirchoff, 1824-1887), care susine c un corp capabil s absoarb toat radiaia la orice lungime de und este la fel de capabil s emit radiaie.

Dac temperatur radiaiei corpului negru crete peste 525 C, surs ncepe s devin vizibil, astfel c ochiul uman nu o mai vede neagr. Aceast este temperatur cldurii roii iniial, care apoi devine portocalie sau galben pe msur ce temperatur crete. De fapt definiia termenului temperatur culorii unui obiect este temperatur la care corpul negru trebuie nclzit pentru a avea acelai aspect.

Radiaia emis de un corp negru (i n particular de un corp obinuit) este caracterizat de trei expresii: Planck, Wien i Stefan-Boltzmann.

Max Planck (1858-1947) descrie distribuia spectral a radiaiei unui corp negru prin formula:

Unde Wb este emisia spectral de radiaie a corpului negru la lungimea de und , c este viteza luminii (3 x 108 m/s), h este constanta lui Planck (6.6 x 10-34 Joule sec), k constanta lui Boltzmann (1.4x10-23 Joule/K), T temperatura absolut (K) a unui corp negru, lungimea de und. Difereniind dupa , expresia lui Plack gsim maximul:

m = lungimea de und a radiaiei maxime (m)

b = constanta de deplasare a lui Wien = 2897 (m K) Aceasta este formula matematic a legii de deplasare a lui Wien (Wilhelm Wien, 1864-1928) i exprim matematic fenomenul de variere a culorilor de la rou la portocaliu sau galben pe masur ce temperatura unui radiator termic crete.Integrnd aceast formul de la =0 la =, obinem emitana radiant total Wb a unui corp negru:

EMBED Equation.3 [Watt/m2] unde:

Wb = fluxul radiant emis pe unitatea de arie (watt/cm2)

= emisivitatea (1 pentru un corp negru perfect)

= constanta Stefan-Boltzmann = 5.67310-12 (watt cm-2 K- 4) T = temperatura absolut a intei (K)

Fig. 3 Fenomenul de deplasare a max cu creterea temperaturiiAceasta este formula Stefan-Boltzmann (Josef Stefan 1853-1893 si Ludvig Boltzmann 1844-1906) i susine c puterea total de emisie a unui corp negru este proporional cu a patra putere a temperaturii sale absolute.

n cazul obiectelor reale, sunt trei procese care le difereniaz de corpurile negre: o fractiune a radiaiei incidente poate fi absorbit, o fraciune poate fi reflectat, iar o fraciune poate fi transmis. Emisivitatea spectral este rata puterii radiaiei spectrale emise de un obiect si de un corp negru la aceeasi temperatura. Are valoarea maxima, 1, pentru corpul negru si este subunitar pentru toate celelalte corpuri. Matematic, pentru o lungime de und , aceasta se scrie :

Emisivitatea este proprietatea unui corp de a emite energie sub form de radiaie. n general, sunt trei tipuri de surse de radiaie, distinse ntre ele de modul n care emit radiaie n functie de variaia lungimii de und.

Corpul negru, pentru care = = 1

Corpul gri, pentru care = = constant, mai mica dect 1

Radiator (corp ne-gri), pentru care variza odata cu lungimea de und.

O camera n infrarou msoar i afieaza radiaia IR emis de un obiect. Faptul c radiaia este o functie a temperaturii suprafeei obiectului, permite camerei s calculeze i s afieze temperatur. Cu toate acestea, radiaia msurat de camer nu depinde doar de temperatura obiectului dar este i o funcie a emisivitii. Radiaia poate proveni din mprejurimi i este reflectat n obiect. Radiaia de la obiect i cea reflectat vor fi i ele influenate de absorbia atmosferei.

Emitana este definit ca raportul dintre energia radiant emis de o suprafa i energia emis de o suprafaa de corp negru la aceeai temperatura. Dei radiatoarele corp negru sunt teoretice i nu exist n practic, suprafeele majoritii solidelor sunt de tip corp gri, adic, suprafee cu emisiviti care sunt constante cu lungimea de und. Figura 4 arat distribuia spectral comparativ a energiei emise de un corp negru, un corp gri i un corp ne-gri, toate la aceeai temperatur (300 K).

Emitana total de la o suprafa int are trei componente: energia emis We, energia reflectat Wr din mediu i alte surse de reflexie, i energia Wt transmis prin suprafaa intei de surse aflate n spatele intei. Dac inta este un emitor corp negru, atunci ea are emisivitatea 1 i nu va reflect sau transmite energie. Dac inta este un emitor corp gri, ea va semna cu un corp negru n distribuia spectral dar, deoarece emisivitatea sa este mai mic de 1, poate de asemenea s reflecte i/sau s transmit energie. Dac inta este un emitor corp negru-gri, poate de asemenea s emit, reflecte i s transmit energie, dar distribuia spectral nu va semna neaprat cu cea a unui corp negru. Deoarece doar componenta de emisie, We, este legat de temperatur suprafeei intei, devine evident c un pas semnificant n msuratorile de temperatur IR este eliminarea sau compensarea pentru celelalte dou componente.

Fig. 4 Distribuia spectral a celor 3 tipuri de emitori3. Sisteme de detecie n infrarou Elementele minime ale unui sistem de detecie n IR sunt:

- sistemul optic

- sistem de filtrare

- detector de radiaie - bloc de prelucrare a semnalului electric

- sistem de vizualizare i eventual de nregistrare 3.1 Sistemul optic

Sistemele optice folosite separat pentru devierea radiaiei, pentru focalizare (oglinzi, lentile) sau cele care sunt nglobate n blocul de detecie pot fi analizate i caracterizate ca orice sistem optic dup legile clasice ale opticii geometrice. Materialele cel mai frecvent folosite pentru sistemele optice sunt sticle speciale pe baz de aluminat de calciu, fluorur de magneziu, sulfur de zinc, etc., cristale mono- sau policristaline , dielectrice sau semiconductoare din halogenuri, materiale plastice pe baz de polietilen sau polimetacrilat i metale.

Din punct de vedere optic radiaia IR este guvernat n principal de aceleai legi ca i radiaia vizibil. Cunoscnd principiile de baz ale opticii se pot nelege i limitele impuse de partea optic a sistemului respectiv. n domeniul vizibil obiectele sunt vzute pe baza energiei reflectate de ele pe cnd n domeniul infrarou pe baza emisiei lor. Un sistem optic transmite mai mult putere n domeniul vizibil sau UV dect n domeniul IR. Astfel, un sistem optic care n vizibil are o rezoluie de 1400 linii pe mm, n IR are doar 250 linii pe mm.

Caracteristicile cele mai importante ale materialelor folosite la construcia lor sunt:

- proprieti fizice: coeficient de dilatare, temperatur de topire

- proprieti chimice: solubilitate mic, stabilitate chimic

- proprieti mecanice: rezistent la oc, rezisten la eroziune, duritate

- proprieti optice: indice de refracie, coeficient de transmisie, coeficient de reflexie, pierderea de energie, capacitatea de a polariza, dispersia indicelui de refracie, tratamentul stratului superficial

Caracteristicile cele mai importante ale sistemelor optice sunt:

Deschiderea reprezint aptitudinea sistemului de a capta radiaia emis de o scen termic. Deschiderea este determinat de pupila de intrare. Diametrul pupilei se numete deschidere optic (deschidere relativ sau deschidere unghiular) i se definete ca raportul dintre diametrul pupilei i distana focal.

Cmpul este definit ca fiind locul geometric al punctelor scenei optice de la care sistemul optic capteaz radiaie i pentru care acest sistem formeaz imagine.

Grosismentul reprezint raportul dintre tangenta unghiului sub care se vede obiectul prin sistemul optic ocular i tangenta unghiului sub care se vede obiectul cu ochiul liber.

Rezoluia spaial este prin definiie cea mai mic distan dintre dou detalii ale obiectului examinat, exprimat sub form unui unghi solid, pentru care detaliile nc formeaz imagini separate. ntr-un sistem de termografiere rezoluia spaial global este determinat de un ansamblu de factori: rezoluia spaial a lanului de componente optice, rezoluia detectorului IR, funcia de transfer a componentelor electronice, precizia sistemului de vizualizare i caracteristicile optice ale ochiului observatorului.

Profunzimea cmpului sau claritatea n adncime reprezint distan n adncime, msurat pe ax optic, pentru un reglaj de focalizare dat, de la care se obine o imagine clar. Dac se regleaz sistemul optic astfel nct imaginea format s aib o claritate maxim pentru punctele unui obiect situate la o distan D, profunzimea cmpului este acel delta D, n jurul valorii D, care asigur nc formarea unei imagini clare.

Claritatea este definit prin raportul dintre energia radiaiei emise de un punct de pe imaginea obiectului i energia radiaiei emise de acelai punct de pe suprafaa obiectului. Claritatea are intotdeauna valori subunitare i este dependent de factorul de transmisie, de deschiderea relativa i de pierderile de energie datorate absorbiei si reflexiei. n comparaie cu un sistem optic ideal care este capabil s redea un obiect punctiform ca o imagine punctual, sistemele reale sunt n mod inevitabil imperfecte, ceea ce conduce la o serie de deformri ale imaginii reale, denumite erori de difracie sau aberaii (cromatice, geometrice). Alegerea corect a componentelor sistemului optic permite diminuarea erorilor de acest tip i obinerea unei imagini satisfactoare. Materialele folosite la fabricarea componentelor transparente pentru radiaii IR trebuie sa aib coeficientul de transmisie ridicat, absorbia energetic mic, emisivitate slab, coeficient de dilatare termic redus. Principalele materiale folosite sunt: sticla, materialele cristaline, materialele ceramice i materialele plastice polimerice. Fiecare material este transparent pentru un anumit domeniu de lungimi de und.3.2 Filtre optice de radiaie IR

Compoziia spectral a energiei radiante emise de diferitele izvoare precum i caracteristicile spectrale ale sensibilitii receptoarelor sunt foarte variate. Adesea trebuie modificat distribuia energiei n spectrul izvorului sau caracteristica spectral a receptorului. Una din cele mai simple metode de separare a unei anumite poriuni din spectru ce ne intereseaz, const n filtrarea radiaiei cu ajutorul unui mediu care are o transmisie selectiv.

Sistemele destinate schimbrii compoziiei spectrale a energiei radiante se numesc filtre optice, indiferent de ce regiune spectral este vorba (radiaii vizibile sau invizibile).

Filtrele optice se utilizeaz pentru urmtoarele scopuri:

separarea unei anumite poriuni din spectrul energiei radiante a izvorului, sau din

caracteristica spectral a receptorului;

mprirea fluxului total emis de izvor n intervale spectrale izolate;

separarea n procesul de fotografiere a unor anumite poriuni din spectru pentru a

elimina efectele introduse de o difuzie sau absorbie selectiv a mediului;

Principiul de funcionare i clasificarea filtrelor optice

Toate substanele absorb ntr-o anumit msur energia radiant care trece prin ele. Energia radiant provoac oscilaii ale electronilor liberi sau legai (din atomi sau molecule) care exist n substan, precum i ale moleculelor sau ale atomilor. De aceea, absorbia energiei radiante, condiionat de oscilaiile electronilor liberi, aproape c nu depinde de frecven i deci curba de absorbie este uniform n ntregul spectru. Dac absorbtia este provocata de oscilatiile moleculelor, ale atomilor sau ale electronilor legati, ea se manifest sub forma unor benzi de absorbie izolate (absorbie selectiv). Majoritatea benzilor de absorbie din infrarou se datoreaz oscilaiilor moleculare. Filtrele optice se clasific dup proprietile lor optice (caracteristicile spectrale) sau dupa destinaie. Dup caracteristicile spectrale, filtrele se mpart in trei clase:

Clasa 1 filtrele care absorb puternic radiaiile ale cror lungimi de und sunt mai mici dect o lungime de und limit (de prag) p (care caracterizeaz filtrul), i las s treac radiaiile cu o lungime de und mai mare dect p.

Dintre filtrele a cror lungime de und limita se afla in regiunea infrarosie, face parte si ebonita, care transmite numai radiaii cu o lungime de und mai mare de 0.8 m; lemnul si hartia incep sa transmita energia radianta la lungimi de und ceva mai mari.

Clasa 2 filtrele care transmit bine radiaiile cu o lungime de und < p i absorb puternic radiaiile cu > p, adic filtrele care nu las s treac lungimi de und mai mari dect p. Prin poziia zonelor de transmisie i de absorbie, filtrele din aceast clas joac un rol invers n comparaie cu filtrele din clasa 1.

Dintre filtrele din aceast clas fac parte: silvina (KCl) care las s treac radiaii cu o lungime de und de pn la 21 m si fluorita (CaF2) care las s treac radiaii cu lungimi de und pn la 10 m, sarea gema (NaCl) pn la 16 m i cuarul (SiO2) transparent pn la 4 m.

Filtrele optice din primele doua clase pot fi considerate filtre de tiere. Clasa 3 Filtre care absorb puternic ntregul spectru cu excepia uneia sau a mai multor regiuni spectrale nguste, n limitele crora filtrele transmit bine energia radiant.

Aceste filtre se numesc filtre de band sau monocrome.

Dupa destinaie, filtrele pot fi mprite n dou grupe:

filtre spectrale care extrag o band de frecven relativ ngust sau o regiune ntreaga

a spectrului, de exemplu cea IR sau UV;

filtre compensatoare sau corectoare care modific spectrul fluxului de energie radiant sau caracteristica spectral a receptorului, aducndu-le la forma cerut. Din aceast grup fac parte aa numitele filtre neutre care atenueaza fluxul de energie radiant fara a-i schimba compoziia spectral.

Filtrele absorbante sunt fcute n general din semiconductori care sunt opaci pentru radiaia vizibil i sunt transpareni pentru cea IR. Filtrarea se face prin corelarea lungimii de und a radiaiei care trece prin filtru cu grosimea filtrului.

Filtrele reflectante reflect radiaia nedorit lsnd s treac doar un domeniu de lungimi de und. Componentele care fac asta sunt un fel de oglinzi care, n general, sunt confectionate din metale (metalele au emisivitate mare n domeniul vizibil i mic n domeniul IR).

Filtrele combinate sunt realizate din dou materiale, unul care este puternic reflectant i unul care este puternic absorbant. Astfel se poate obine o filtrare foarte minuioas a radiaiei IR, numai un domeniu foarte mic fiind lsat s treac. De asemenea exist filtre bazate pe dispersie selectiv ( materiale care au indicele de difracie dependent de lungimea de und), pe difuzie (materiale la care transmisia spectral depinde de raportul n care se gsesc lungimea de und i distanele dintre paticulele difuzante) i filtre bazate pe difracie (materiale la care unghiul de reflexie este dependent de lungimea de und).

De notat faptul c o absorbie (selectiv sau neselectiv) a radiaiei este inerent tuturor substanelor solide, lichide sau gazoase.

Filtrele solide sunt mai comode din punct de vedere constructiv dect cele lichide sau gazoase, ns caracteristicile lor de absorbie nu satisfac ntotdeauna condiiile impuse aa nct uneori este nevoie s se lucreze cu filtre lichide sau gazoase. Filtrele gazoase sunt greu de executat i nu sunt durabile. Filrele lichide se fac sub forma unui vas cu perei plan-paraleli, umplut cu o soluie de colorant. Drept colorani servesc srurile ctorva metale (Cu, Co, Cr, Ni) sau colorani organici, de exemplu coloranii cu anilin.

Unele filtre lichide, de exemplu cele cu o soluie de 2.5 % de clorur de cupru i cu grosime a stratului de 2.5 cm, absorb complet razele infraroii.

Fig. 5 Curbele de absorbie a dou filtre lichide:

1 unui strat de ap cu grosime de 1 cm

2 unei soluii de clorur de cupru cu grosimea de 2.5 cm Din figura de mai sus, se poate observa absorbia unui filtru lichid cu o soluie de clorura de cupru (curba 2) in comparatie cu absorbtia unui strat de ap cu o grosime de 1 cm (curba 1).

Surse de radiaii infraroii. Clasificarea surselor de radiaii infraroii Sursele de radiaii care se utilizeaz n diferite domenii ale tehnicii razelor infraroii,

pot fi mpartite dupa natura fizic a mecanismului emisiei radiante n trei grupe:

1. Surse de radiaie termic, n care radiaia infraroie se produce n urma arderii unui

combustibil, sau a nclzirii unui corp pn la o anumit temperatur.

2. Surse electro-luminescente care funcioneaz pe baza principiului electroluminescenei adic a luminescenei provocate de trecerea curentului electric printr-un gaz rarefiat.

3. Surse de radiaie de tip combinat, care folosesc n acelai timp radiaia termic i

luminescena.

Condiiile care se impun unei surse de raze infraroii.Condiia principal care se impune unei surse de raze infraroii este valoarea ridicat a randamentului n regiunea infraroie a spectrului. Alegerea unei surse eficace de raze infraroii se face pe baza legilor generale ale radiaiei termice, innd seama de caracteristicile spectrale ale receptorului de raze infraroii folosit. n afar de condiia unui randament ridicat, sursele de raze infraroii trebuie s mai indeplineasca nca o serie de alte conditii si anume:

s poat fi utilizate n combinaie cu diverse sisteme optice;

s nu necesite o ngrijire i o supraveghere special;

s aib durata de funcionare suficient de lung i stabilitate n funcionare;

s aib greutate si dimensiuni exterioare minime;

s poat fi alimentate cu curent continuu sau alternativ;

sa admit reglarea regimului de lucru, iar aceast reglare s fie ct mai comod.

3.3 Detectoare de radiaii IRDetectorul de radiaii este partea cea mai important a unui sistem de termografiere i are rolul de a transforma radiaia electromagnetic provenit de la sursa termic ntr-un semnal electric denumit termosemnal. Detectoarele de radiaii folosite n prezent sunt realizate ntr-o gama foarte larg de soluii principiale i constructive. Dup criteriul principiului de funcionare, detectoarele de radiaie termic se mpart n dou mari categorii: detectoare termice la care amplitudinea semnalului termic depinde de fluxul energetic, exprimat n W , i detectoare fotonice sau cuantice la care amplitudinea semnalului termic depinde de fluxul fotonic, exprimat n numr de fotoni pe secund.

Cele mai rspndite, din punct de vedere principial sunt detectoarele cuantice care sunt grupate n: detectoare fotoconductoare, detectoare fotovoltaice, detectoare fotoemisive i detectoare matriceale. Un tip de detector termic foarte rspndit este bolometrul. Funcionarea bolometrului se bazeaz pe principiul variaiei conductanei unor metale sau semiconductoare n funcie de temperatur. Radiaia incident este absorbit de o rezisten vopsit n negru. Aceast rezisten este montat, de regul, ntr-o punte cu impedana echilibrat n absena radiaiei. Rezistena electric R, denumit i termistan sau termistor, este dependent de temperatur conform relaiei:

R = R0 (1+ m Td )

unde R0 este valoarea rezistentei la 0 K,

Td este temperatura detectorului m este coeficientul de temperatur al materialului. Bolometrele pot detecta radiaii cu de pn la 50 m, n funcie de calitatea stratului negru depus pe rezisten, astfel c pot fi utilizate n special n domeniul lungimilor de und mari, acolo unde detectoarele cuantice nu sunt utilizabile. Pentru ca detectivitatea s fie selectiv se poate folosi un filtru. n funcie de temperatura de funcionare, bolometrele pot fi rcite sau nercite. Cele rcite au o detectivitate cu un ordin de mrime mai mare dect cele nercite ns acestea din urm au avantajul c sunt portabile i rapide.

Fig. 6 Seciune vertical a unui pixel al microbolometrului Un bolometru sensibil i rapid poate fi construit dintr-un material cu coeficientul de temperatur mare, capacitate caloric mic si conductan termic ridicat.

Bolometrele semiconductoare se bazeaz pe proprietatea materialelor semiconductoare de a avea rezistivitatea dependent de temperatur dup o lege exponenial. Cele patru straturi ale unui bolometru sunt: stratul absorbant de radiaie, stratul sensibil, material dielectric i suport metalic. Elementul sensibil, denumit termistor, este montat pe un suport metalic cu o capacitate caloric mare n raport cu cea a termistorului. Astfel energia provocat de radiaia incident este captat i apoi disipat rapid prin conducie termic. Constanta de timp a detectorului depinde de modul n care se asigur contactul termic dintre semiconductor i suportul metalic. Dezvoltarea unor noi generaii de materiale i a nanomaterialelor a permis apariia microbolometrelor, asemntoare din punct de vedere principial cu bolometrele. Un microbolometru este constituit dintr-un ir de pixeli, fiecare fiind construit cateva straturi. Schema din figura 6 face o descriere generalizat a seciunii unui astfel de pixel. Spre deosebire de alte echipamente de detecie a radiaiilor infraroii, microbolometrele nu necesit rcire. Avantajul unui astfel de dispozitiv de nregistrare este c poate detecta lumina banda spectrala 7.5-13 m. Aceast band ofera o mai bun penetrare prin fum, smog, praf, vapori de ap, etc., pentru c lungimea de und este mult mai mare dect cea a luminii vizibile n banda 0.4 0.7 m. Terma-camera folosit n acest studiu are un strat de oxid de vanadiu pentru absorbie. Rezoluia de pixeli a acestui detector este de 160x120. Cmpul vizual acoperit de aceast camer termic are 25 orizontal i 19 vertical, putnd focaliza la o distan minim de 0,3 m. 4. Caracterizarea sistemelor termografice

Pentru caracterizarea unui sistem termografic este necesar s fie luate n considerare toate componentele lanului radiometric. Evaluarea capabilitii sistemului se poate face fie prin luarea n considerare a mrimilor caracteristice ale componentelor n mod separat, fie prin combinarea unor marimi mai importante, reprezentative pentru sistem. Sistemele termografice pot fi destinate unei analize pur calitative sau unei analize calitative combinat cu o analiz cantitativ. Atunci cnd se dorete obinerea unor temperaturi n valoare absolut (analiz cantitativ) devin importante mrimile caracteristice sistemului de msurare.4.1 Rspunsul spectralRspunsul spectral reprezint banda spectral care este sesizat de sistem (ansamblul optic, filtru si detector), definit, n general, printr-un domeniu de lungimi de und = b a centrat aproximativ pe o lungime de und medie m situat ntre b si a.Rspunsul spectral este o caracteristic permanent a echipamentului care nu poate fi schimbat (dect parial prin schimbarea filtrului). Alegerea echipamentelor cu un rspuns spectral adecvat este important deoarece n numeroase aplicaii radiaia termic este emis ntr-un domeniu specific de lungimi de und.4.2 Rezoluia termicRezoluia termic reprezint diferena de temperatur minim sesizabil de ctre un sistem termografic. Echipamentele actuale destinate examinrilor civile au o rezoluie termic minim de 0.02C. n funcie de natura obiectului, definirea rezoluiei termice ia diferite forme:

1. Diferena de temperatur echivalent zgomotului NETD. Este denumit i sensibilitate termic i reprezint diferena de temperatur dintre dou puncte ale obiectului examinat sau ntre un punct al obiectului i un punct al mediului nconjurator, capabil s produc un semnal cel puin egal cu tensiunea eficace a zgomotului sistemului.

unde T0 este temperatura unui corp negru cu dimensiuni spaiale mult mai mari fa de

cmpul elementar dar mai mici dect dimensiunile campului total, Tf temperatura unui fond termic rece pe care se afl corpul negru, vz tensiunea eficace dat de zgomotul detectorului, asociat cu cel determinat de

sistemul de preamplificare, vs tensiunea semnalului rezultat n urma iradierii.

NETD este o marime care ine cont de zgomotul fotonic i electronic al sistemului i care pentru un sistem dat depinde foarte mult de temperatura obiectului examinat.O alt modalitate de exprimare este sub forma diferenei de temperatur care produce o variaie a semnalului egal cu radcina medie ptrata (RMS) a amplitudinii semnalului, msurat ntr-un interval de timp dat.

2. Diferena de temperatur minim sesizabil - MRTD. Este diferena de temperatur minim pentru care un sistem de termografiere asigur realizarea unei imagini vizibile pe care se disting puncte cu temperaturi diferite. MRTD este o mrime care leag rezoluia termic de discriminarea spaial a sistemului. Aceast mrime exprim influena zgomotului asupra rezoluiei spaiale.

Pentru evaluarea MRTD se foloseste mira Foucault care este un desen conventional cu linii de diferite dimensiuni i caracteristici clar precizate. Definirea rezolutiei termice se face pe baza separarii vizuale a liniilor din imagine termica a mirei Foucault, in conditiile in care contrastul termic dintre acestea este foarte mic.

MRTD = (T1 T2 ) / 2

unde T1 este diferenta de temperatura minima, pragul minimal de perceptie vizuala distincta a liniilor mirei, iar T2 este diferenta de temperatura pentru care se obtine o imagine foarte clara a liniilor mirei. Cu cat valorile MRTD sunt ai mici cu atat sistemul are rezolutia mai buna. 3. Diferena de temperatur minim detectabil MDTD. Este diferena de temperatur minima ntre suprafaa unui obiect i fondul pe care se afl amplasat.

MDTD = T = T0 Tfunde T0 este temperatura unui semn (mira) circular si Tf temperatura unui fond uniform pe care este amplasat semnul circular.

Determinarea acestei caracteristici se face prin examinarea a doua obiecte si reducerea diferenei de temperatur dintre acestea pn la o valoare limita la care nu mai pot fi diferentiate din punct de vedere termic. MRTD si MDTD sunt caracteristici subiective deoarece depind de capacitatea de observare a operatorului.4.3 Rezoluia spaialRezoluia spaial este definit ca unghiul solid care limiteaz capacitatea de separare a detaliilor obiectului examinat, denumit i unghiul solid de analiz al sistemului. O alt definiie a rezoluiei spaiale este: aptitudinea sistemului de a conduce la obinerea de imagini separate pentru detalii mici, diferite, ale obiectului examinat. Rezoluia spaiala mai poate fi definit si prin mrimea intitulat cmp instantaneu de vedere IFOV. Cu ct valorile IFOV sunt mai mici cu att un echipament este mai bun pentru acelai cmp de vedere FOV. Este evident c distana obiect echipament de analiz este foarte important n determinarea rezoluiei spaiale. Capacitatea IFOV mai mare a unui echipament IR permite identificarea mai bun a punctelor calde sau reci, dar asta nu este acelai lucru cu exactitatea msuratorilor de temperatura. Cmpul de vedere FOV este mrimea care rezult prin raportarea dimensiunilor spotului de msurare a intei la distana camer obiect.

Raportul de mrire a spotului SSR este mrimea care exprim distana maxim a camerei n raport cu inta pentru o suprafa de examinare dat, care nca mai permite efectuarea unei msuratori precise.

Puterea de mrire ( zoom) optic si electronic nu afecteaz performanele camerei.4.4 Rezoluia temporalRezoluia temporal sau frecvena de repetare a cadrelor nseamn numrul de imagini preluate n unitatea de timp i este dependent de durata n care sistemul de termografiere produce un cadru, ceea ce nseamn integrarea mai multor cmpuri vizuale necesare pentru a obine un cadru.4.5 Alte mrimi caracteristiceFuncia de transfer modular MTF care descrie corespondena dintre modularea semnalului de ieire i modularea semnalului de intrare, cnd semnalul de intrare este sinusoidal.Funcia de transfer a contrastului CTF ; idem MTF doar c semnalul este dreptunghiular.Contrastul minim sesizabil MRC.Funcia de rspuns a fantei SRF este raportul dintre diferena semnalului de ieire provenit de la o fant foarte ngust i fondul pe care aceasta este amplasat i diferena semnalului de ieire obinut de la o fant foarte larg i fondul pe care aceasta este amplasat. Marimile MTF, CTF, SRF sunt strns legate ntre ele (daca una este cunoscut celelalte dou se pot calcula) i furnizeaz informaii privind abilitatea sitemului de a genera imagini de bun calitate, cnd semnalul de intrare este mare i zgomotul neglijabil.Funcia de transfer a semnalului SiTF care se mai numete i funcia de rspuns a sistemului, reprezint dependena semnalului de ieire de temperatura tintei. Aceast mrime furnizeaz informaii privind amplificarea, linearitatea sau proporionalitatea sistemului, domeniul dinamic i saturaia acestuia.

Domeniul de focalizare FR

Paternul zgomotului stabil FPN este o mrime ce caracterizeaz variaiile de frecven spaial nalt la ieirea detectorului, generate de o int uniform cu suprafaa mare.Neuniformitatea caracterizeaz variaiile de frecventa joasa ale semnalului de ieire determinate de o int uniform cu suprafa mare.

Mrimile FPN si neuniformitatea se refer la orice model al zgomotului spatial, care nu se schimb semnificativ de la un cadru la altul. Suprafaa inactiv a detectorului este o caracteristic ce influeneaz calitatea imaginii.

Capacitatea camerei de a lucra cu mai multe obiective i filtre este alt caracteristic.

Radiaia echivalent zgomotului reprezint energia minim care, dac este furnizat sistemului, conduce la producerea unui semnal cel puin egal cu cel produs de zgomotul propriu sistemului. Rezoluia si acurateea msuratorilor sunt noiuni diferite.Acurateea msurarii este un criteriu de apreciere utilizat in cazul aplicaiilor n care sunt specificate cerine privind precizia determinrilor de temperaturi n valori absolute. Prezentarea acestui criteriu se face sub forma:

unui interval de temperaturi, de ex. 2C

unui procent din temperatur masurat, de ex. 10% T

o combinaie a acestor dou modalitai de prezentare

Pentru compararea sistemelor dup criteriul acurateei msurrii este nevoie s se cunoasc condiiile n care aceast mrime a fost precizat, i anume: temperatura, distana dintre camera IR i obiect, valoarea emisivitii.

Modul n care o camer IR transform energia radiant n temperatur

Procesul prin care o termocamer IR transform energia IR n lumin vizibil const n 5 pai de baz:

1. Folosete un sistem optic special cu lentile care focalizeaz radiaia IR provenit de la toate obiectele din cmpul de vedere al camerei.

2. Detectorii de IR scaneaz aceast radiaie focusat. Detectorii creaz o termogram care este de fapt o hart de temperatur.

3. Termograma este tradus n impulsuri electrice.

4. Impulsurile electrice sunt trimise la o unitate de procesare a semnalelor (cip) unde sunt transformate n date.

5. Unitatea de procesare a semnalelor trimite datele ctre un display unde devin vizibile pentru observator. O camer IR folosete msuratoarea sa asupra energiei infraroii radiante primit din orice punct de pe suprafaa intei (unde este amplasat arattorul pe imagine), pentru a calcula o aproximaie a temperaturii reale a locaiei respective. Pentru a face asta, ntai presupune ca absorbia IR n spaiul dintre inta i instrument este neglijabil. De asemenea presupune c nu exist energie IR transmis prin inta de ctre surse aflate n spatele intei.

Pentru a permite camerei IR s calculeze si s corecteze reflexia radiaiei de fond a mediului, trebuie introdusa valoarea temperaturii fondului.

De asemenea trebuie introdusa o valoare pentru emisivitatea intei. Aceast setare permite programului calculatorului s corecteze componenta emis pentru emisivitatea efectiv a suprafeei intei.

4.6 Determinarea temperaturii de fond i a emisivitii

Determinarea temperaturii de fondinta va primi energie radiant de la mediul nconjurator (cantitatea depinde de temperatura ambientului), i dac emitorul nu este un corp negru (sau o bun aproximaie) acesta va reflecta o parte din ea. Aceast energie reflectat va contribui la energia total care ajunge la instrument i poate reprezenta o surs de eroare n msurarea temperaturii. Setarea temperaturii de fond permite programului inclus n camera IR s corecteze temperatura citit la cursor pentru componenta reflectat.Urmtoarea procedur este o metod pentru a determina care ar trebui s fie setarea pentru temperatura de fond:

1. Se seteaz emisivitatea tintei la 1.002. Se sfrma o folie mare de aluminiu (aproximativ 30 cm patrati) apoi se impratie napoi n forma de foaie, ca s simuleze un reflector difuz3. Se plaseaz reflectorul ntre camera i inta planificat i se permite reflectorului s ajung la echilibru termic. Se verific cu atenie s nu existe nici o sursa punctual (nici corpul uman) n imagine4. Se plaseaz spotul camerei n centrul imaginii i se citete temperatura aparent. Se repet pentru alte doua puncte departe de centrul imaginii. Se face media celor trei citiri5. Se alege media celor trei citiri ca valoare a temperaturii de fond.

Msuarea emisivitii efective a unui emitor necunoscutEmisivitatea efectiv este valoarea care trebuie introdus n parametrul emisivitatii intei astfel nct programul camerei s poate corecta citirile de temperatur la cursor.

Stabilirea emisivitaii efective corecte este hotrtoare pentru a face msurtori de temperatur precise. Tabelul de emisiviti normale dat n seciunea urmtoare poate fi folosit ca ghid, dar, cnd este necesar precizie n msurarea temperaturii, este ntotdeauna mai bine s se determine emisivitatea efectiv a suprafeei ce urmeaz a se msura direct, folosind instrumentul cu care s-a fcut msurtoarea i sub condiii de operare similare. Aceasta deoarece emisivitatea poate varia cu temperatura, caracteristicile suprafeei i banda spectral de msur, i poate chiar varia printre mostrele aceluiai material. O metod, cunoscut ca metoda emitorului de referin, poate fi folosit pentru a determina setarea emisivitii necesar pentru un material int specific, folosind acelai instrument care va fi folosit pentru msurtoarea propriu-zis. Procedura este ilustrat n figur A i const n urmtorii pi:

1. Se prepar o mostr din material suficient de mare pentru a contine cteva msuri de spot sau IFOV (Instantaneous Field Of View) al instrumentului. (O monstr aproximativ de 4 ~10 cm2, este o alegere bun).2. Se stropete un sfert din mostra int cu vopsea neagr mat (absorbant de lumin; emisivitatea este de aproximativ 0.96 in regiunea 8-12m) sau se folosete alt substan de emisivitate nalt cunoscut.3. Se incalzete mostra la o temperatura uniform apropiat pe ct posibil de temperatura la care se vor face msuratorile propriu-zise.4. Se capteaz o imagine.5. Dup ce se asigur c valoarea pentru temperatur de fond a fost introdus corespunzator, se seteaz instrumentul de control al emisivitii la valoarea cunoscut a stratului acoperitor, i se masoar temperatura zonei mbrcate amplasnd spotul n centrul ei. Se repet pentru alte dou locaii n zona mbracat. Se face media celor trei citiri.6. Se mut spotul n zona neacoperit a imaginii i se ajusteaz emisivitatea pna cnd se repet citirea temperaturii de la punctul 5. Aceasta este valoarea emisivitii care ar trebui selectata la masurarea temperaturii acestui material cu camera.

Figura A Msurarea emisivitii efective a unei probe Factori care influeneaz emisivitatea Materialul - materialele diferite au emisiviti diferite.

Nemetalele prezint uzual o emisivitate mare, variaii reduse de emisivitate ntre

eantioane diferite. La nemetale emisivitatea variaz puin cu trecerea timpului.

Metalele pure, netede i neoxidate au o emisivitate foarte joas, pn la 0.05.

Metalele acoperite cu un strat gros de oxid au emisivitate mare, pn la 0.95.

Emisivitatea suprafeei poate varia ntre aceste valori, n funcie de gradul de oxidare i de transparena stratului de oxid.

Structura suprafeei

Cu ct suprafaa este mai rugoas cu att emisivitatea suprafeei este mai mare.

Suprafeele lustruite, lucioase i netede au o emisivitate joas, iar cele zgriate au o emisivitate mai mare.

Geometria - geometria obiectului int este uneori un factor foarte important.

Cavitile, unghiurile i gurile creaz condiii apropiate de corpurile negre, prezentnd

emisivitate mare. Reflexiile multiple ntre suprafee vor crete absorbia, deci i emisivitatea. n cazul

materialelor cu emisivitate mic, geometria poate uura mult munca operatorului.

Unghiul de vedere influeneaz emisivitatea efectiv a suprafeei.

La un unghi de 0, se obtine reflexia operatorului. Daca operatorul este la un unghi

aproape de 90, emisivitatea incepe sa scada.

Lungimea de und - emisivitatea aceleiasi suprafete poate sa fie diferita la camere SW si LW.

Temperatura - valorile mari de temperatur pot afecta emisivitatea suprafetei.

Emisivitatea metalelor crete la temperaturi foarte mari. Testele de emisivitate se

efectueaz la temperaturi apropiate de cele ale intei msurate.

Culoarea n vizibil nu reprezint un factor de influen pentru emisivitate. Culoarea,

totui, poate afecta absorbia luminii vizibile. Funciile camerei pentru mbuntirea capacitii de identificare a amprentei termice

Amprentele termice pot fi greu de identificat. Pentru aceasta exist trei funcii:

- reglarea focalizrii termice

- izoterma

- palete de culori

Cteodat o alt funcie se dovedete a fi util:

- funcia PROFIL

Reglarea focalizrii termice reprezint alegerea optim a culorilor unei imagini cu privire la un obiect int de analizat, n vederea maximizrii contrastului.

Izoterma nlocuiete cateva culori din cadrul domeniului de temperatur al imaginii (span) cu o culoare de mare contrast. Izoterma prezint un domeniu de temperatur sau un nivel; se poate expanda, comprima sau muta sus/jos de-a lungul scalei. Cu ajutorul izotermei se poate determina poziia punctului cel mai cald. Ea se poate utiliza pentru a poziiona exact un spot de msur n punctul cel mai cald.

Paleta de culoare corespunzatoare unei imagini stabilete culorile de marcare a nivelurilor specifice de temperaturi aparente. Paletele pot oferi un contrast mai mare sau mai mic, n funcie de culorile utilizate.

Reguli de alegere a paletelor:

- se utilizeaz palete cu contrast mare pentru inte cu contrast mic

- se utilizeaz palete cu contrast mic pentru tinte cu contrast mare

Functia PROFIL genereaz profilul de temperatur de-a lungul unei linii trasate ntr-o imagine termic. Aceast funcie genereaz grafice de forma temperatur = f (distan). Este util n analiza amprentelor termice la cazane, evi, rezervoare, cilindri rotativi, etc.

n analiza imaginii pot aprea i interpretri greite ale amprentei termice:

reflexiile de la alte surse (eventual punctuale); diferenele de emisivitate; Reflexia de la o surs localizat dac punctul fierbinte se deplaseaz odat cu operatorul, atunci este vorba de o reflexie.

Evitarea reflexiilor:

nu se st exact n faa intei, pentru a evita reflexia operatorului n obiectul int; n timpul scanrii operatorul se deplaseaz puin; dac zonele hot spot se deplaseaz i ele atunci ele reprezint reflexii; se utilizeaz legile reflexiei pentru a determina sursa, n vederea evitrii influenei ei

se utilizeaz o plac de carton (placaj) pentru a ecrana obiectul int de influenele surselor exterioare; se observ gradientele termice; nclzirea real prezint gradiente, reflexiile nu se localizeaz i se investigheaz, n cadrul intei, piesele, dispozitivele sau subansamblele cu emisivitate mare (acestea vor prezenta reflexii foarte reduse si temperatura aparenta va fi foarte apropiat de cea real); n ceea ce privete emisivitatea, la o emisivitate mai mare avem o citire mai apropiat de valoarea real. O emisivitate mai mic face ca o suprafa cald sa par mai rece sau o suprafa rece s par mai cald. O modificare abrupt de emisivitate genereaz o modificare abrupt n cadrul amprentei termice.

5. Interaciunea cu mediul nconjurtor5.1 Detecia de la distanCnd se msoar radiaia infraroie de la o int ea trebuie s treac prin cteva medii transmisibile n drumul su ctre instrumentul de msur. Dac mediul este vid, nu vor fi pierderi de energie, dar majoritatea msuratorilor de infrarou se fac prin aer. Dintre efectele produse ca urmare a interaciei cu atmosfera, cel mai important este diminuarea intensitii fasciculului, efect numit atenuare. Aceasta se datoreaz disiprii energiei electromagnetice pe baza a dou tipuri de interaciuni: absorbia i difuzia. Efectul majoritii gazelor din atmosfer poate fi ignorat pentru distane mici, de ordinul ctorva metri. Pe msura ce distana crete, absorbia atmosferic poate fi o surs de eroare. Exist trei intervale spectrale care sunt relativ scutite de pierderi prin absorbie.Acestea sunt cunoscute ca ferestrele atmosferice de 1.5 - 2.5 m, 3 - 5m si de 8 - 14m. Aproape toate instrumentele sensibile si care afieaz n infrarou sunt proiectate s opereze n una din aceste trei ferestre.Deoarece majoritatea msuratorilor cu camere IR au loc pe o distana atmosferic relativ scurt (mai putin de 10 metri), erori datorate pierderilor atmosferice pot fi n general ignorate. Mediile solide, cum ar fi sticla sau cuarul folosit n unele procese de fabricare, pot atenua considerabil energia infrarosie dac se afl ntre int i instrumentul de infrarou, i pot face ca msuratorile de temperatur s fie mai dificile. n aceste cazuri, transmisia spectral i caracteristicile de absorbie ale mediului trebuie luate n considerare la calibrarea instrumentului. Compoziia atmosferei. Atmosfera este un mediu format dintr-un amestec de gaze i vapori de ap, avnd n acelai timp particule strine, suspendate n ea. Dimensiunile acestor particule variaz de la 0.5 la 50 m. Componentele permanente, fundamentale, ale stratului inferior (de lng suprafaa pmntului) al atmosferei sunt azotul (78.03%) i oxigenul (20.99%). Pentru celelalte gaze i particule care intr n compoziia aerului (argonul, hidrogenul, bioxidul de carbon, neonul, heliul, cryptonul, xenonul, vapori de apa, praf, etc) revine mai puin de un procent. Coninutul de vapori de ap n aer variaz n funcie de o serie ntreag de cauze, n particular, n funcie de temperatura aerului i de presiunea atmosferic. Odat cu creterea temperaturii, coninutul de vapori de ap din aer crete. n stratul inferior al aerului exist totdeauna o anumit cantitate de corpuri strine ca: picturi foarte mici de ap, care apar n urma condensrii vaporilor de ap, particule de fum, firicele de origine organic sau mineral i bacterii. Starea atmosferei n care predomin particulele solide cum ar fi praful, fumul, se numete pcl. Diferitele grade de concentraie a particulelor lichide (picturi de ap) duc la formarea ceurilor de diferite densiti, a norilor i a ploii.

Existena n atmosfer a corpurilor strine - praf, fum, vapori de apa - nrutete condiiile de propagare a radiaiilor infraroii. Raportul dintre energia I care a trecut printr-un strat de atmosfer de grosime x i energia I0 ptrunse n acest strat se numete transparen sau factor de transparena al stratului considerat i se noteaz de obicei cu liter . n general, factorul se exprim n procente pe 1 km. Valoarea sa este nul n cazul corpului negru i a corpurilor perfect reflecttoare.

(%/ km) 5.2 Efectele interaciunii radiaiei cu atmosfera AbsorbiaAbsorbia radiaiilor infraroii n gaze i vapori de apRadiaiile infraroii sunt absorbite i difuzate n atmosfer de ctre moleculele diferitelor gaze atmosferice, precum i de ctre particulele solide i picturile de ap (cea). La trecerea radiaiilor infraroii prin atmosfer se observ o absorbie selectiv a acestora de ctre ozon, bioxidul de carbon i vaporii de ap. Gradul de absorbie este determinat de coeficientul de absorbie k, ce caracterizeaz slbirea radiaiei la trecerea acesteia printr-un strat de atmosfer de grosime egal cu unitatea. Pentru calculul lui k au fost propuse o serie ntreag de formule empirice i semiempirice.

(m) Absorbia ozonului poate fi neglijat, deoarece n stratul inferior al aerului coninutul de ozon este neglijabil, cu excepia unei anumite perioade de dupa furtun, cnd n aer apare o cretere brusc a coninutului de ozon. Ozonul are benzile sale de absorbie situate aproximativ la 4.7 si 9.6 m. Bioxidul de carbon se caracterizeaz prin benzi de absorbie intense, situate n dreptul lungimilor de und de 2.05 m, 2.6 m, 4.3 m i n special 12.8 - 17.3 m (figura 7).

Banda de 12.8 - 17.3 m a dioxidului de carbon, alturi de benzile de absorbie ale vaporilor de apa, reprezint principala cauz a absorbiei aproape complete de ctre atmosfera a radiaiilor infraroii, ncepnd cu 1415 m.

Fig. 7 Benzile de absorbie ale bioxidului de carbon atmosferic Absorbia bioxidului de carbon n primele doua regiuni ale spectrului (IR apropiat i IR mediu) poate fi neglijat deoarece cantitatea de bioxid de carbon prezent n aer, n comparaie cu cea a vaporilor de ap, este mic iar acetia din urm absorb mai puternic razele infraroii din aceste regiuni. Razele infraroii sunt absorbite cel mai mult de vaporii de ap, care au benzi de absorbie intense la diferite lungimi de und. Prin urmare, absorbia are un caracter selectiv, adic ea se extinde n special asupra unor poriuni de spectru bine determinate. Cele mai intense benzi de absorbie ale vaporilor de apa se situeaz n dreptul urmtoarelor lungimi de und (cifrele indic centrele benzilor): 0.94; 1.13; 1.38; 1.46; 1.87; 2.66; 3.15; 6.26; 11.7; 12.6; 13.5; 14.3 m. n aceste regiuni spectrale, energia razelor infraroii, care se propag prin atmosfer, este absorbit ntr-o msura apreciabil.

n afar de benzile de absorbie, vaporii de ap prezint o serie de benzi de transmisie, in dreptul crora energia radiaiilor infraroii se propag fr a suferi a absorbie apreciabil. n figura 8 sunt artate benzile de transmisie ale razelor infraroii n atmosfer, n intervalul 114 m. Dupa cum se vede din figur, n intervalele spectrale 11.1; 1.21.3; 1.61.75; 2.12.4 m transmisia ajunge pna la 80%, iar n intervalul 3.44.2 m trece de 90%. n intervalul 812 m transmisia variaz n medie ntre 60 i 70%, iar n anumite poriuni nguste depete 80%. Poziiile benzilor de absorbie ale vaporilor de ap, ale bioxidului de carbon i ale ozonului sunt artate n figura 9. Mrimile relative ale benzilor de absorbie ale acestor componente ale atmosferei sunt luate la o scar arbitrar, deoarece coninutul n procente al acestora n atmosfera variaz.

Fig. 8 Benzile de transmisie a radiaiei IR de ctre vaporii de ap

Fig. 9 Benzile de absorbie ale vaporilor de ap, ozonului i dioxidului de carbon

5.2.1 DifuziaSlbirea unui fascicul de radiaii infraroii datorit difuziein cazul cnd radiaiile infraroii strbat un strat de atmosfer care conine particule foarte mici n suspensie, particule al cror indice de refracie difer de indicele de refracie al mediului, o parte din energia radiant este difuzat de moleculele aerului n toate direciile. Acest fenomen se numete difuzie molecular. S-a aratat c neomogenitaile atmosferei, care duc la difuzia energiei radiante, sunt aglomerarile de molecule de aer de diferite densiti, care apar n mediu datorit micrii termice dezordonate a moleculelor. Conform cercetrilor teoretice, difuzia energiei radiante pe particule ale cror dimensiuni sunt mici n comparaie cu lungimea de und, este invers proporionala cu puterea a patra a lungimii de und. Prin urmare, cand lungimea de und scade, difuzia crete. Energia difuzat pe asemenea particule poate fi determinata cu ajutorul unui coeficient de difuzie * care caracterizeaz gradul de slbire al radiaiei intr-un strat unitar de atmosfer.

(m)unde n este indicele de refracie al particulelor, N numrul particulelor ntr-o unitate de volum, unghiul dintre direcia razei incidente i cea a razei difuzate, lungimea de und.

Coeficientul de difuzie depinde de unghiul i de proprietile mediului. Din formula de mai sus rezult c pentru = 0 si 180 difuzia este maxim.

Absorbia global a energiei I a radiaiilor infraroii, ntr-un strat de atmosfera de grosime x, produs de difuzia energiei i de absorbia ei, este caracterizat de coeficientul de extincie K*. Coeficientul de extincie reprezint o marime care se obine n urma adunrii coeficienilor de difuzie i de absorbie; el are dimensiunea inversului unei lungimi.Pentru determinarea coeficientului de extincie poate servi, de exemplu, formula:

unde I0 este valoarea energiei nainte de traversarea stratului de grosime x, I valoarea energiei radiante dupa traversarea stratului, e baza logaritmilor naturali coeficientul de absorbie Formula de mai sus este cunoscuta sub denumirea de legea exponenial de absorbie a energiei.

n cazul unor dimensiuni mari ale particulelor, difuzia nainte poate depi de 10 ori difuzia inapoi. Unghiul de difuzie minim , pe particule mici, este de 90, pe cele mari este de 120. Fraciunea de lumin polarizat scade odat cu creterea diametrului particulei.

n afara de difuzia pe moleculele aerului, are loc i o difuzie pe picturile de ap care se formeaz n aer n urma condensrii vaporilor de ap, atunci cand aerul se rcete, cum i pe particulele de impuriti care se gsesc n atmosfera (praf, fum, funingine, etc.). Pentru condensarea vaporilor de ap sunt necesare particule care s serveasc drept centre, nuclee de condensare. Rolul acestor nuclee de condensare din atmosfera l pot juca particulele de praf, de fum, de sruri (clorura de sodiu i de magneziu) precum i ionii atmosferici. Numrul nucleelor de condensare n aer variaz. Deasupra suprafeei mrii, numrul de nuclee este de 100 - 150 ntr-un centimetru cub, deasupra centrelor industriale mari, cu o atmosfer foarte tulbure, numrul lor ajunge la 150000 ntr-un cm3.

Numrul nucleelor de condensare ntr-un volum determinat de aer condiioneaz dimensiunile particulelor care se formeaza prin condensarea vaporilor de apa. La un numar mare de nuclee de condensare se obtin particule foarte mici, cu un diametru de circa 5 10-5 cm. Asemenea particule formeaz pcla. Datele experimentale arat ca pcla duce la o slabire neglijabila a radiaiilor infraroii. In cazul paclei (cand vizibilitatea nu depete un km n vizibil) folosirea razelor infraroii prezint avantaje n ceea ce privete distana de vizibilitate, de aproximativ 24 ori, n comparaie cu distana pentru razele vizibile.

Propagarea radiaiilor infraroii prin ceaCercetrile consacrate studiului propagrii radiaiilor infraroii prin ceuri naturale i artificiale duc adesea la rezultate contradictorii. Acest lucru se explic prin diversitatea condiiilor n care se fac msuratorile.Condiiile de propagare ale radiaiilor infraroii prin ceat, deasupra uscatului, difer de condiiile de propagare prin cea, deasupra unei suprafee marine sau de litoral. Compoziia ceii n ora, n special ntr-un centru mare, difer foarte mult de compoziia ceii n cmp, n afara oraului, etc. De asemenea i condiiile de propagare ale radiaiilor infraroii prin ceuri naturale i cele artificiale difer apreciabil. Este imposibil de creat o cea artificial stabil. Putem aprecia instabilitatea unei astfel de cee din faptul c dou msurtori efectuate la un mic interval de timp, una dup alta, dau rezultate cu totul diferite. Cu toat diversitatea datelor citate n literatur, se poate totui trage o serie de concluzii utile, privind propagarea radiaiilor infraroii prin ceat.

Starea atmosferei saturate cu picturi de ap, n care distana de vizibilitate (pentru razele vizibile) nu depete 800 - 1000 m se numete cea.

Ceurile naturale se formeaz n urm trecerii unor cureni de aer umed i cald deasupra unei suprafee reci sau n urma rcirii straturilor inferioare de aer datorit rcirii rapide a uscatului, dup apusul soarelui. Dup caracterul formrii lor, ceurile naturale se mpart n ceuri intramasice i ceuri frontale. La rndul lor, ceurile intramasice se mpart n radiative i advective. Ceurile radiative apar la o rcire puternic a suprafeei terestre, produs de radiaia ei termic, pe un timp senin, fapt datorit cruia aerul se suprasatureaza i se produce astfel o condensare a vaporilor de apa. Ceurile advective se formeaz la ptrunderea unei cantiti de aer cald i umed ntr-o zon cu temperatur mai joas. Ceurile frontale apr la deplasarea frontului maselor de aer ntr-o atmosfer cu un mare coninut de vapori de ap.

unde este raza picaturilor, N numarul picaturilor in 1 cm3 de ceata, e baza logaritmilor naturali, k o functie care depinde de raza picaturilor si de lungimea de und.

Daca indicele de refractie al mediului este n = 1, atunci mrimea k este proporional cu coeficientul de difuzie:

adic

n baza acestor formule au fost calculate curbele (figura 10) care exprim relaia dintre k si mrimea :

Fig. 10 Funcia k = f() Din figur se observ maximele (pentru = 6.2 si =15) i un minim pentru (=11.2) proprii curbei k = f() . Dincolo de valoarea maxima a lui k, corespunztoare lui =15, curba scade treptat. n domeniul valorilor maxime ale lui exist o difuzie a razelor cu lungimi de und mici, iar n regiunea valorii minime are loc o difuzie a razelor cu lungime de und mare. Coeficientul de difuzie * poate fi calculat cu ajutorul valorilor lui k date n tabele. Curbele * = f() reprezentate in figura 11 sunt construite pentru diferite raze, , ale particulelor, msurate n centimetri, pentru lungimi de und pn la 100 m. Din aceast figur se vede c pentru lungimile de und mai scurte, difuzia este determinat numai de raza particulelor i aproape c nu depinde de lungimea de und (cu condiia ca aceasta din urma sa fie mult mai mica dect raza particulelor). Difuzia maxim are loc atunci cnd lungimea de und este egal cu raza particulei difuzante. Pentru o cea cu particule de raz = 0.5 m, forma coeficientului k, n funcie de lungimea de und, este reprezentat in figura 12. Dup cum se vede, ncepand de la 0.5 m difuzia radiaiilor de lungime de und mare scade, adic transparena crete. Pentru particulele de raza = 2 m, maximul difuziei se deplaseaz nspre regiunea lungimilor de und mai mari (circa 2 m). Pentru particulele cu raza i mai mare, maximile de difuzie se deplaseaz i mai mult nspre regiunea lungimilor de und mari ale spectrului.

Fig. 11 Curbele * = f() pentru diferite dimensiuni ale particulelor

Fig. 12 Dependena funciei de difuzie k de lungimea de und a radiaieipentru diferite dimensiuni ale picaturilor de cea n baza figurilor 11 si 12 se pot trage urmtoarele concluzii:

difuzia radiaiilor infraroii este mult mai mic dect difuzia radiaiilor vizibile la o raz a particulelor difuzante mai mica de 0.4 m, o parte din radiaiile infraroii (cu lungimi de und mai mari) sunt difuzate mai putin dect radiaiile vizibile, dac raza particulelor nu este mai mare de 2 m.

Dac raza particulelor difuzante este mai mare de 20 m, atunci numai undele mai lungi de 1000 m adic undele radio milimetrice, se propag fara o difuzie apreciabil.

Prin urmare, la propagararea radiaiilor infraroii ntr-o atmosfer cu transparen redus, o importan hotaratoare o au dimensiunile picturilor de cea.

n figura 13 este artat curba transmisiei radiaiilor infraroii printr-o cea natural uoar, cu o densitate optic (extinctie) de 0.14 pe kilometru.

Fig. 13 Transmisia radiaiei infraroii printr-o cea natural slab Din figur se vede c ntr-o cea uoar transmisia radiaiilor infraroii ajunge pn la 90% in regiunea de 34 m i este egal cu 100% n regiunea de 812 m. Benzile de absorbie existente sunt condiionate de vaporii de ap. Aadar n cazul ceii nu ne putem atepta la o cretere a transparenei din infrarou apropiat, deoarece de regul, particulele de cea au raza mai mare de 35 m.

Razele picturilor de cea variaz ntre limite foarte largi, de la 1 la 60 m, ns picturi cu raza mai mare de 25 m se ntlnesc relativ rar.

Fig. 14 Relaia dintre nr. de picturi intr-un cm de cea i dimensiunile lor

Msurtorile efectuate asupra ceurilor dense, cu o vizibilitate sub 2000 m, au artat c cel mai des ntalnite picturi de cea au o raz egal cu 4 m (figura 14). Existena n cea a unor particule mici, alturi de particule mari, duce la o transparen mai bun a acesteia pentru radiaiile infraroii, n comparatie cu cele vizibile. n urma unei serii de msuratori ale transparenei atmosferei, s-a stabilit c n vecintatea suprafeei terestre atmosfera este mai puin transparenta pentru radiaiile infraroii, dect pentru cele vizibile. Rezultatele msuratorilor sunt reprezentate sub form de curbe in figurile 14 si 15.

Fig. 15 Transparenta atmosferei fata de radiaia IR la diferite altitudini

1 - 3.5 km altitudine; 2 - 2.5km altitudine

Materialul expus mai sus ne permite sa tragem anumite concluzii asupra propagrii radiaiilor infraroii prin atmosfer.n atmosfera transparent, precum i la o pcla i cea uoaa, cnd distana de vizibilitate este mai mare de 1000 m, razele infraroii cu lungime de pn la aproximativ 1.5 m se propag mult mai bine dect razele vizibile. Aceasta se explic prin faptul c raza particulelor difuzante este mult mai mica de 1 m.

Fig. 16 Transparena atmosferei fa de radiaia IR n funcie de altitudine

ntr-o cea dens, la o distan de vizibilitate mult mai mic de 300 m, razele infraroii cu lungimi de und pn la 1.5 m sunt complet absorbite, deoarece raza particulelor difuzante este mai mare de 1 m. Razele infraroii cu lungimi de und de la 4 pn la 12 m se propag n funcie de natura ceii i de dimensiunile particulelor mai bine dect razele vizibile, dac n cea predomin particule cu dimensiuni mai mici dect lungimea de und a radiaiilor respective.

n cazul ploii, cnd raza minim a particulelor este aproximativ egal cu 60 m, razele infraroii nu prezint avantaje n ceea ce privete propagarea, doarece difuzia nu mai depinde de lungimea de und.

Pe baza acestor concluzii, se poate hotar de la caz la caz asupra posibilitii de folosire a razelor infraroii n diferite condiii atmosferice.

5.2.3 Radiaia parazit i turbulentAtmosfera, la fel ca orice alt gaz, este o surs de radiaie termic selectiv i fluxul de energie radiant pe care l emite, denumit radiaie parazit, se suprapune peste fluxul termic al unei scene termice analizate. Astfel pot aprea distorsionarea imaginii, scintilaii de scurt durat, creterea zgomotului sau fluctuaii locale ale intensitii.

Spaiul real este fragmentat n subdomenii cu mrimi de la civa mm la cteva sute de metri i cu indici de refracie diferii. Propagarea undelor este afectat la traversarea acestor subdomenii.

5.2.4 Msurarea efectelor interaciunii

Msurarea efectelor interaciunii atmosferice se face pe baza unor modele fizice complexe dar care au dezavantajul c implic o serie de simplificri ce necesit introducerea unor corecii.

Metodele fizice sunt modele descriptive pentru care relaiile matematice se stabilesc plecnd de la analiza fenomenelor reale. n relaii apar o serie de coeficieni cu valori corectate n funcie de rezultatele experimentale.

Metodele comportamentale constau n descrierea unui efect global prin aproximare. Se folosesc n acest scop formule empirice, metode numerice sau metode grafice.

Metodede comportamentale sunt mai puin precise dect cele fizice dar au avantajul c pot fi utilizate pentru calcule rapide. n practic se folosesc cel mai frecvent modele combinate: expresii analitice asociate cu tabele de valori obinute experimental. Exist tabele ale coeficientului de transmisie n funcie de distan, temperatur, umiditate relativ, pentru diferite gaze sau componente ale atmosferei i pentru fiecare fereastr atmosfer